JP5134427B2 - Solid-state imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device.
固体撮像装置として、光入射に応じて電荷を発生し且つ平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成す光感応領域をそれぞれ有する複数の光電変換部が、一次元方向(光感応領域の短辺方向に沿う方向)にアレイ状に配置されているものが知られている(例えば、特許文献1参照)。このような固体撮像装置は、従来より様々な用途に用いられているが、特に、分光器の光検出手段として広く用いられている。
しかしながら、特許文献1に記載の固体撮像装置は、以下の問題点を有している。特許文献1に記載の固体撮像装置では、光感応領域に発生した電荷は、光感応領域の短辺側から読み出されることとなる。このため、発生した電荷は光感応領域の長辺方向に移動する必要があり、その移動距離が長くなってしまう。この結果、発生した電荷を高速に読み出すことが困難となる。
However, the solid-state imaging device described in
また、特許文献1に記載の固体撮像装置では、光感応領域の一対の短辺それぞれに隣接して、電荷を蓄積するディフュージョン領域及び当該ディフュージョン領域に生じた電圧信号を増幅して出力するアンプ領域が配置されている。すなわち、特許文献1に記載の固体撮像装置では、光感応領域の各短辺に隣接して配置された一対のアンプ領域からそれぞれ信号が出力されるため、一次元画像を得るための信号処理が必要となり、画像処理が煩雑となる懼れがある。
In the solid-state imaging device described in
そこで、本発明の課題は、画像処理が煩雑になることなく、光感応領域に発生した電荷を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid-state imaging device capable of reading out charges generated in a photosensitive region at high speed without complicating image processing.
本発明に係る固体撮像装置は、光入射に応じて電荷を発生し且つ平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成す光感応領域と、光感応領域に対して光感応領域の平面形状を成す長辺に平行な所定の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する電位勾配形成領域と、をそれぞれ有すると共に、所定の方向に交差する方向に沿うように併置された複数の光電変換部と、複数の光電変換部からそれぞれ転送された電荷を取得し、所定の方向に交差する方向に転送して出力する第1及び第2の電荷出力部と、を備えることを特徴とする。 The solid-state imaging device according to the present invention generates a charge in response to light incidence and has a light-sensitive region having a substantially rectangular shape whose planar shape is formed by two long sides and two short sides, and a light-sensitive region. And a potential gradient forming region that forms a potential gradient that is increased along a predetermined direction parallel to the long side that forms the planar shape of the photosensitive region, and so as to be along a direction that intersects the predetermined direction. A plurality of photoelectric conversion units juxtaposed, and first and second charge output units that acquire and transfer charges transferred from the plurality of photoelectric conversion units in a direction intersecting a predetermined direction, It is characterized by providing.
本発明に係る固体撮像装置では、各光電変換部において、電位勾配形成領域により上記所定の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿っていずれかの短辺側に移動する。これにより、電荷の移動速度は、電位勾配(ポテンシャルの傾斜)に支配されることとなり、電荷の読出し速度が高速化する。 In the solid-state imaging device according to the present invention, in each photoelectric conversion unit, the potential gradient formed along the predetermined direction is formed by the potential gradient formation region, so that the charge generated in the photosensitive region is formed. It moves to one of the short sides along the potential gradient due to the potential gradient. As a result, the charge transfer speed is governed by the potential gradient (potential gradient), and the charge read speed is increased.
また、本発明では、複数の光電変換部から転送された電荷は、第1又は第2の電荷出力部により取得されて所定の方向に交差する上記方向に転送されて出力される。この結果、本発明によれば、従来の技術にて必要とされるような一次元画像を得るための信号処理をあらためて実行する必要はなく、画像処理の煩雑化を防ぐことができる。 In the present invention, the charges transferred from the plurality of photoelectric conversion units are acquired by the first or second charge output unit, transferred in the above-described direction intersecting with a predetermined direction, and output. As a result, according to the present invention, it is not necessary to newly execute signal processing for obtaining a one-dimensional image as required in the prior art, and complication of image processing can be prevented.
ところで、本発明では、光感応領域は、平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。このため、光感応領域における飽和電荷量が大きい。 By the way, in the present invention, the photosensitive region has a substantially rectangular shape whose planar shape is formed by two long sides and two short sides. For this reason, the saturation charge amount in the photosensitive region is large.
本発明では、電位勾配形成領域は、上記所定の方向として、光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第1の方向に沿って高くされた電位勾配を形成し、第1及び第2の電荷出力部は、光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置されており、光電変換部にそれぞれ対応し且つ各光電変換部と第1の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を第1の電荷出力部へ転送する複数の第1の転送部と、光電変換部にそれぞれ対応し且つ各第1の電荷出力部と第2の電荷出力部との間に配置され、第1の電荷出力部に転送された電荷を第2の電荷出力部へ転送する複数の第2の転送部と、を更に備えていることが好ましい。 In the present invention, the potential gradient forming region has, as the predetermined direction, a potential gradient increased along a first direction from one short side to the other short side forming the planar shape of the photosensitive region. The first and second charge output portions formed are arranged on the other short side forming the planar shape of the photosensitive region, and correspond to the photoelectric conversion portions, respectively, and each photoelectric conversion portion and the first charge A plurality of first transfer units that are arranged between the output unit and transfer charges from the photosensitive region of the corresponding photoelectric conversion unit to the first charge output unit; A plurality of second transfer units that are arranged between one charge output unit and the second charge output unit and transfer the charges transferred to the first charge output unit to the second charge output unit; Furthermore, it is preferable to provide.
この場合、電位勾配形成領域により上記第1の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方の短辺側に移動する。他方の短辺側に移動した電荷は、第1の転送部に取得されて、第1の方向に転送される。そして各第1の転送部から転送された電荷は、第1の電荷出力部により、第1の方向に交差する方向に転送されて出力される。また、第2の転送部により、第1の電荷出力部に蓄積されている電荷は、第1の方向に転送される。そして各第2の転送部から転送された電荷は、第2の電荷出力部により、第1の方向に交差する方向に転送されて出力される。 In this case, the potential gradient formed in the first direction is formed by the potential gradient forming region, so that the charge generated in the photosensitive region is in the other direction along the potential gradient due to the formed potential gradient. Move to the short side. The electric charge that has moved to the other short side is acquired by the first transfer unit and transferred in the first direction. Then, the charges transferred from the first transfer units are transferred and output in a direction crossing the first direction by the first charge output unit. In addition, the charge accumulated in the first charge output unit is transferred in the first direction by the second transfer unit. The charges transferred from each second transfer unit are transferred and output by the second charge output unit in a direction crossing the first direction.
また、本発明では、電位勾配形成領域は、上記所定の方向として、光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第1の方向及び光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側から一方の短辺側に向かう第2の方向のいずれかの方向に沿って高くされた電位勾配を選択的に形成し、第1の電荷出力部は、光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側に配置され、第2の電荷出力部は、光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置されており、光電変換部にそれぞれ対応し且つ各光電変換部と第1の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を第1の電荷出力部へ転送する複数の第1の転送部と、光電変換部にそれぞれ対応し且つ各光電変換部と第2の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を第2の電荷出力部へ転送する複数の第2の転送部と、を更に備えていることが好ましい。 In the present invention, the potential gradient forming region includes the first direction from the one short side forming the planar shape of the photosensitive region to the other short side and the planar shape of the photosensitive region as the predetermined direction. Is selectively formed along any one of the second directions from the other short side to the one short side, and the first charge output unit is formed in the photosensitive region. The second charge output unit is disposed on the other short side of the photosensitive region, and corresponds to the photoelectric conversion unit, and each of the second charge output units is disposed on the short side of the photoelectric conversion unit. A plurality of first transfer units disposed between the photoelectric conversion unit and the first charge output unit and configured to transfer charges from the photosensitive region of the corresponding photoelectric conversion unit to the first charge output unit; and photoelectric conversion Each of the photoelectric conversion units and the second charge output unit. Preferably comprises a plurality of second transfer unit for transferring the charges from the photosensitive region of the photoelectric conversion portion to the second charge output portion, a further.
電位勾配形成領域により上記第2の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されると、光感応領域に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って一方の短辺側に移動する。一方の短辺側に移動した電荷は、第1の転送部に取得されて、第2の方向に転送される。そして各第1の転送部から転送された電荷は、第1の電荷出力部により、第1の方向に交差する方向に転送されて出力される。電位勾配形成領域により上記第1の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されると、光感応領域に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方の短辺側に移動する。他方の短辺側に移動した電荷は、第2の転送部に取得されて、第1の方向に転送される。そして各第2の転送部から転送された電荷は、第2の電荷出力部により、第2の方向に交差する方向に転送されて出力される。 When a potential gradient raised along the second direction is formed by the potential gradient formation region, the charge generated in the photosensitive region is transferred to one short side along the potential gradient due to the formed potential gradient. Move to. The electric charge that has moved to one short side is acquired by the first transfer unit and transferred in the second direction. Then, the charges transferred from the first transfer units are transferred and output in a direction crossing the first direction by the first charge output unit. When a potential gradient raised along the first direction is formed by the potential gradient forming region, the charge generated in the photosensitive region is transferred to the other short side along the potential gradient due to the formed potential gradient. Move to. The charge that has moved to the other short side is acquired by the second transfer unit and transferred in the first direction. The charges transferred from each second transfer unit are transferred and output in a direction crossing the second direction by the second charge output unit.
更に、本発明では、第2の電荷出力部は、第1の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を複数の第2の転送部から取得して、所定の方向に交差する方向に転送して出力し、第1の電荷出力部は、第1の期間より短い第2の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を複数の第1の転送部から取得して、所定の方向に交差する方向に転送して出力することが好ましい。 Further, in the present invention, the second charge output unit acquires the charges generated in the photoelectric conversion unit over the first period from the plurality of second transfer units and transfers them in a direction crossing a predetermined direction. The first charge output unit acquires the charges generated in the photoelectric conversion unit over a second period shorter than the first period from the plurality of first transfer units, and crosses in a predetermined direction. It is preferable to output in the direction.
第1の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的長くなることから、強い入射光は、信号が飽和するために適切に検出することが困難となるが、弱い入射光は、十分大きな信号として検出される。一方、第2の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的短くなることから、弱い入射光は、信号が微弱となるため、信号として十分に検出することが困難となるが、強い入射光は、飽和することなく、信号として適切に検出される。このように、入射光の強さに関わらず、入射光が信号として適切に検出されることとなり、実効的なダイナミックレンジが大きくなる。 If the charge generated in the photoelectric conversion unit is accumulated over the first period, the exposure time becomes relatively long, so that strong incident light is difficult to detect properly because the signal is saturated, but weak. Incident light is detected as a sufficiently large signal. On the other hand, if the charge generated in the photoelectric conversion unit is accumulated over the second period, the exposure time becomes relatively short. Therefore, weak incident light has a weak signal and is difficult to detect sufficiently as a signal. However, strong incident light is appropriately detected as a signal without being saturated. Thus, regardless of the intensity of the incident light, the incident light is appropriately detected as a signal, and the effective dynamic range is increased.
なお、本発明では、第1及び第2の電荷出力部を備えていることから、第2の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷の転送と第1の期間にわたって光電変換部にて発生した電荷の転送とが、互いに障害となることはない。 In the present invention, since the first and second charge output units are provided, transfer of charges generated in the photoelectric conversion unit over the second period and generation in the photoelectric conversion unit over the first period are performed. Charge transfer does not interfere with each other.
本発明によれば、画像処理が煩雑になることなく、光感応領域に発生した電荷を高速に読み出すことが可能な固体撮像装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid-state imaging device that can read out charges generated in a photosensitive region at high speed without complicating image processing.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description, the same reference numerals are used for the same elements or elements having the same function, and redundant description is omitted.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図2は、図1におけるII−II線に沿った断面構成を説明するための図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the solid-state imaging device according to the first embodiment. FIG. 2 is a view for explaining a cross-sectional configuration along the line II-II in FIG.
第1実施形態に係る固体撮像装置1は、複数の光電変換部3と、複数のバッファゲート部5と、複数の第1の転送部7と、第1の電荷出力部としての第1のシフトレジスタ9と、複数の第2の転送部11と、第2の電荷出力部としての第2のシフトレジスタ13と、を備えている。固体撮像装置1は、分光器の光検出手段として用いることができる。
The solid-
各光電変換部3は、光感応領域15と、電位勾配形成領域17と、を有している。光感応領域15は、光の入射に感応して、入射光強度に応じた電荷を発生する。電位勾配形成領域17は、光感応領域15に対して、光感応領域15の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第1の方向(光感応領域15の長辺方向に沿う方向)に沿って高くされた電位勾配を形成する。電位勾配形成領域17により、光感応領域15に発生した電荷は、光感応領域15の他方の短辺側から排出される。
Each
光感応領域15の平面形状は、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。複数の光電変換部3は、上記第1の方向に交差(例えば、直交)する方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。複数の光電変換部3は、光感応領域15の短辺方向に沿う方向に併置されている。本実施形態では、光感応領域15の長辺方向での長さは、例えば1mm程度に設定され、光感応領域15の短辺方向での長さは例えば24μm程度に設定されている。
The planar shape of the
各光感応領域15に対して、当該光感応領域15を光感応領域15の短辺方向に沿う方向に挟むようにして、アイソレーション領域18とオーバーフロードレイン(OFD)領域19とが配置されている。アイソレーション領域18は、光感応領域15の一方の長辺に隣接して、光感応領域15の長辺方向に沿う方向に伸びている。アイソレーション領域18は、アイソレーション領域18を挟んで隣り合う一対の光感応領域15を電気的に分離する。
For each
オーバーフロードレイン領域19は、光感応領域15の他方の長辺に隣接して、光感応領域15の長辺方向に沿う方向に伸びている。オーバーフロードレイン領域19は、ゲートトランジスタにより構成されるオーバーフローゲート(OFG)を含み、光感応領域15にて当該光感応領域15の蓄積容量を超える電荷が発生した際に、蓄積容量を超えた分の電荷を排出する。これにより、蓄積容量を超えた光感応領域15から溢れた電荷が他の光感応領域15へ漏れ出すブルーミング等の不都合が防止される。
The
各バッファゲート部5は、光電変換部3にそれぞれ対応し且つ光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。すなわち、複数のバッファゲート部5は、光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第1の方向に交差する方向(光感応領域15の短辺方向に沿う方向)に併置されている。バッファゲート部5は、光電変換部3(光感応領域15)と第1の転送部7とを仕切る。本実施形態では、バッファゲート部5には、電位勾配形成領域17によって光感応領域15から排出された電荷が蓄積される。隣り合うバッファゲート部5の間には、アイソレーション領域(図示せず)が配置されており、バッファゲート部5の間における電気的な分離を実現している。
Each
各第1の転送部7は、バッファゲート部5にそれぞれ対応し且つバッファゲート部5と第1のシフトレジスタ9との間に配置されている。すなわち、複数の第1の転送部7は、光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第1の方向に交差する方向に併置されている。第1の転送部7は、バッファゲート部5に蓄積されている電荷を取得し、取得した電荷を第1の方向、すなわち第1のシフトレジスタ9に向けて転送する。隣り合う第1の転送部7の間には、アイソレーション領域(図示せず)が配置されており、第1の転送部7の間における電気的な分離を実現している。
Each
第1のシフトレジスタ9は、複数の第1の転送部7に対して、各第1の転送部7と第1の方向に隣接して配置されている。すなわち、第1のシフトレジスタ9は、光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。第1のシフトレジスタ9は、第1の転送部7からそれぞれ転送された電荷を受け取り、第1の方向に交差する上記方向に転送して、アンプ部23に順次出力する。第1のシフトレジスタ9から出力された電荷は、アンプ部23によって電圧に変換され、第1の方向に交差する上記方向に併置された光電変換部3(光感応領域15)毎の電圧として固体撮像装置1の外部に出力される。
The
各第2の転送部11は、バッファゲート部5にそれぞれ対応し且つ第1のシフトレジスタ9と第2のシフトレジスタ13との間に配置されている。すなわち、複数の第2の転送部11は、光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第1の方向に交差する方向に併置されている。第2の転送部11は、対応する第1のシフトレジスタ9の領域に蓄積された電荷を取得し、取得した電荷を第1の方向、すなわち第2のシフトレジスタ13に向けて転送する。隣り合う第2の転送部11の間には、アイソレーション領域(図示せず)が配置されており、第2の転送部11の間における電気的な分離を実現している。
Each
第2のシフトレジスタ13は、複数の第2の転送部11に対して、各第2の転送部11と第1の方向に隣接して配置されている。すなわち、第2のシフトレジスタ13は、第1のシフトレジスタ9と同じく、光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。第2のシフトレジスタ13は、第2の転送部11からそれぞれ転送された電荷を受け取り、第1の方向に交差する上記方向に転送して、アンプ部23に順次出力する。第2のシフトレジスタ13から出力された電荷は、アンプ部23によって電圧に変換され、第1の方向に交差する上記方向に併置された光電変換部3(光感応領域15)毎の電圧として固体撮像装置1の外部に出力される。
The
複数の光電変換部3、複数のバッファゲート部5、複数の第1の転送部7、第1のシフトレジスタ9、複数の第2の転送部11、及び第2のシフトレジスタ13は、図2に示されるように、半導体基板30上に形成される。半導体基板30は、半導体基板30の基体となるp型半導体層31と、p型半導体層31の一方面側に形成されたn型半導体層32,33,35,37,39、n−型半導体層34,36,38,40、及びp+型半導体層41と、を含んでいる。なお、本実施形態では、半導体としてSiを用いており、「高不純物濃度」とは例えば不純物濃度が1×1017cm−3程度以上のことであって、「+」を導電型に付けて示し、「低不純物濃度」とは不純物濃度が1×1015cm−3程度以下であって「−」を導電型に付けて示すものとする。n型不純物としては砒素などがあり、p型不純物としては硼素などがある。
A plurality of
p型半導体層31とn型半導体層32とはpn接合を形成しており、n型半導体層32により、光の入射により電荷を発生する光感応領域15が構成されることとなる。n型半導体層32は、平面視で、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。n型半導体層32は、上記第1の方向(すなわち、n型半導体層32の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう、n型半導体層32の長辺方向に沿う方向)に交差する方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。各n型半導体層32は、n型半導体層32の短辺方向に沿う方向に併置されている。上記アイソレーション領域19は、p+型半導体層により構成できる。
The p-
n型半導体層32に対して、一対の電極51,52が配置されている。一対の電極51,52は、光を透過する材料、例えば、ポリシリコン膜からなり、絶縁層(図示せず)を介してn型半導体層32上に形成されている。一対の電極51,52により、電位勾配形成領域17が構成されることとなる。電極51,52は、上記第1の方向に交差する方向に沿うように併置されている複数のn型半導体層32にわたるように、上記第1の方向に交差する方向に連続して伸びて形成されていてもよい。もちろん、電極51,52は、n型半導体層32ごとに形成されていてもよい。
A pair of
電極51は、いわゆる抵抗性ゲートを構成しており、n型半導体層32の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう方向(上記第1の方向)に伸びて形成されている。電極51は、両端に定電位差を与えることにより、当該電極51の第1の方向での電気抵抗成分に応じた電位勾配、すなわち上記第1の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する。電極51の一端には制御回路(図示せず)から信号MGLが与えられ、電極51の他端及び電極52には制御回路(図示せず)から信号MGHが与えられる。信号MGLがLレベルであると共にMGHがHレベルであると、n型半導体層32において上記第1の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されるようになっている。
The
電極52と第1の方向に隣接して、電極53が配置されている。電極53は、絶縁層(図示せず)を介して、n型半導体層33に形成されている。n型半導体層33は、n型半導体層32の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。電極53は、例えば、ポリシリコン膜からなる。電極53には、制御回路(図示せず)から信号BGが与えられる。電極53及び電極53下のn型半導体層33によって、バッファゲート部5が構成されることとなる。
An
電極53と第1の方向に隣接して、転送電極54,55が配置されている。転送電極54,55は、絶縁層(図示せず)を介して、n−型半導体層34及びn型半導体層35上にそれぞれ形成されている。n−型半導体層34及びn型半導体層35は、n型半導体層33と第1の方向に隣接して配置されている。転送電極54,55は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極54,55には、制御回路(図示せず)から信号TG1が与えられる。転送電極54,55及び転送電極54,55下のn−型半導体層34及びn型半導体層35によって、第1の転送部7が構成されることとなる。
転送電極55と第1の方向に隣接して、一対の転送電極56,57が配置されている。転送電極56,57は、絶縁層(図示せず)を介して、n−型半導体層36及びn型半導体層37上にそれぞれ形成されている。n−型半導体層36及びn型半導体層37は、n型半導体層35と第1の方向に隣接して配置されている。転送電極56,57は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極56,57には、制御回路(図示せず)から信号P1H1等が与えられる。転送電極56,57及び転送電極56,57下のn−型半導体層36及びn型半導体層37によって、第1のシフトレジスタ9が構成されることとなる。
A pair of
転送電極57と第1の方向に隣接して、転送電極58が配置されている。転送電極58は、絶縁層(図示せず)を介して、n−型半導体層38上に形成されている。n−型半導体層38は、n型半導体層37と第1の方向に隣接して配置されている。転送電極58は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極58には、制御回路(図示せず)から信号TG2が与えられる。転送電極58及び転送電極58下のn−型半導体層38によって、第2の転送部11が構成されることとなる。
A transfer electrode 58 is disposed adjacent to the transfer electrode 57 in the first direction. The transfer electrode 58 is formed on the n −
転送電極58と第1の方向に隣接して、転送電極59が配置されている。転送電極59は、絶縁層(図示せず)を介して、n−型半導体層40及びn型半導体層39上に形成されている。n−型半導体層40は、n−型半導体層38と第1の方向に隣接して配置されている。n型半導体層39は、n−型半導体層40と第1の方向に隣接して配置されている。転送電極59は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極59には、制御回路(図示せず)から信号P1H2等が与えられる。転送電極59並びに転送電極59下のn−型半導体層40及びn型半導体層39によって、第2のシフトレジスタ13が構成されることとなる。
A
p+型半導体層41は、n型半導体層32,33,35,37,39及びn−型半導体層34,36,38,40を、半導体基板30の他の部分から電気的に分離している。上述した各絶縁層は、光を透過する材料、例えば、シリコン酸化膜からなる。n型半導体層32を除く、n型半導体層33,35,37,39、n−型半導体層34,36,38,40(バッファゲート部5、第1の転送部7、第1のシフトレジスタ9、第2の転送部11、及び第2のシフトレジスタ13)は、不要な電荷が生じるのを防ぐために、遮光部材を配置するなどして、遮光されていることが好ましい。
The p +
続いて、図3及び図4に基づいて、固体撮像装置1における動作を説明する。図3は、本実施形態に係る固体撮像装置1において、電極51〜59に入力される各信号MGL,MGH,BG,TG1,P1H1,TG2,P1H2のタイミングチャートである。図4(a)〜(e)は、図3における各時刻t1〜t5での電荷の蓄積及び排出動作を説明するためのポテンシャル図である。
Subsequently, the operation of the solid-
ところで、n型の半導体では正にイオン化したドナーが存在し、p型の半導体では負にイオン化したアクセプターが存在する。半導体におけるポテンシャルは、p型よりもn型の方が高くなる。換言すれば、エネルギーバンド図におけるポテンシャルは、下向きがポテンシャルの正方向となるため、n型の半導体におけるポテンシャルは、エネルギーバンド図においてはp型の半導体のポテンシャルよりも深くなり(高くなり)、エネルギー準位は低くなる。また、各電極に正電位を印加すると、電極直下の半導体領域のポテンシャルが深くなる(正方向に大きくなる)。各電極に印加される正電位の大きさを小さくすると、対応する電極直下の半導体領域のポテンシャルが浅くなる(正方向に小さくなる)。 By the way, there are positively ionized donors in n-type semiconductors and negatively ionized acceptors in p-type semiconductors. The potential in the semiconductor is higher in the n-type than in the p-type. In other words, since the potential in the energy band diagram is downward in the positive direction, the potential in the n-type semiconductor is deeper (higher) than the potential of the p-type semiconductor in the energy band diagram. The level is lowered. Further, when a positive potential is applied to each electrode, the potential of the semiconductor region immediately below the electrode becomes deep (in the positive direction). When the magnitude of the positive potential applied to each electrode is reduced, the potential of the semiconductor region immediately below the corresponding electrode becomes shallow (decreases in the positive direction).
図3に示されるように、時刻t1にて、信号MGL,MGH,TG1,P1H1,TG2,P1H2がLレベルであり、信号BGがHレベルであると、n型半導体層33のポテンシャルφ33はn−型半導体層34のポテンシャルφ34より深いことから、ポテンシャルφ32,φ33の井戸が形成されている(図4(a)参照)。この状態で、n型半導体層32に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷は、ポテンシャルφ32,φ33の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ32,φ33には、電荷量QL1が蓄積されている。
As shown in FIG. 3, when the signals MGL, MGH, TG1, P1H1, TG2, and P1H2 are at L level and the signal BG is at H level at time t1, the potential φ33 of the n-type semiconductor layer 33 is Since the n −
時刻t2にて、信号MGHがHレベルであると、n型半導体層32において上記第1の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されており、ポテンシャルφ32はn型半導体層33側に向けて深くなるように傾斜し、ポテンシャルφ32の勾配が形成されている(図4(b)参照)。同じく、時刻t2にて、信号TG1がHレベルであると、n−型半導体層34及びn型半導体層35の各ポテンシャルφ34,φ35が深くなり、ポテンシャルφ35の井戸が形成されている。ポテンシャルφ32の井戸内に蓄積されていた電荷は、図5にも示されるようにポテンシャルφ32の勾配に沿って移動し、ポテンシャルφ33の井戸に蓄積されていた電荷と共に、ポテンシャルφ35の井戸内に転送される。ポテンシャルφ35には、電荷量QL1が蓄積されている。
When the signal MGH is at the H level at time t2, a potential gradient that is increased along the first direction is formed in the n-type semiconductor layer 32 , and the potential φ32 is directed toward the n-
時刻t3にて、信号TG1がLレベルであると、ポテンシャルφ34,φ35は浅くなる。これにより、テンシャルφ32,φ33の井戸が形成される。このとき、ポテンシャルφ32の勾配が形成された状態が維持されており、発生した電荷がポテンシャルφ33の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ32には、電荷量QL2が蓄積されている(図4(c)参照)。また、時刻t3にて、信号P1H1がHレベルであると、n−型半導体層36及びn型半導体層37の各ポテンシャルφ36,φ37は深くなり、ポテンシャルφ37の井戸が形成されている。ポテンシャルφ35の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ37の井戸内に転送される。ポテンシャルφ37には、電荷量QL1が蓄積されている。
If the signal TG1 is at the L level at time t3, the potentials φ 34 and φ 35 become shallow. Thereby, the wells of the temporary φ 32 and φ 33 are formed. At this time, the state in which the gradient of the potential φ 32 is formed is maintained, and the generated charges are accumulated in the well of the potential φ 33 . A charge amount QL 2 is accumulated in the potential φ 32 (see FIG. 4C). Further, when the signal P1H1 is at the H level at time t3, the potentials φ 36 and φ 37 of the n −
時刻t4にて、信号TG1がHレベルであると共に、信号P1H1がLレベルであると、ポテンシャルφ35の井戸が形成されている(図4(d)参照)。これにより、ポテンシャルφ33の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ35の井戸内に転送される。ポテンシャルφ35には、電荷量QL2が蓄積されている。 At time t4, with the signal TG1 is H level, the signal P1H1 is L level, (see FIG. 4 (d)) to the well of the potential phi 35 are formed. As a result, the charges accumulated in the well of the potential φ 33 are transferred to the well of the potential φ 35 . The charge amount QL 2 is accumulated in the potential φ 35 .
同じく、時刻t4にて、信号TG2,P1H2がHレベルであると、n−型半導体層38,40及びn型半導体層39の各ポテンシャルφ38,φ40,φ39が深くなり、ポテンシャルφ39の井戸が形成されている。ポテンシャルφ37の井戸内に蓄積されていた電荷は、ポテンシャルφ39の井戸内に転送される。ポテンシャルφ39には、電荷量QL1が蓄積されている。この後、電荷量QL1の電荷は、電荷転送期間TP1の間において、上記第1の方向に交差する方向に順次転送されて、アンプ部23に出力されることとなる。図3での図示は省略するが、電荷転送期間TP1では、電荷量QL1を上記第1の方向に交差する方向に転送するための信号が信号P1H2等として与えられる。
Similarly, when the signals TG2 and P1H2 are at the H level at time t4, the potentials φ 38 , φ 40 , and φ 39 of the n − type semiconductor layers 38 and 40 and the n
時刻t5にて、信号MGHがLレベルであると共に信号TG1がLレベルであると、時刻t1と同じく、ポテンシャルφ32の勾配が無くなると共に、ポテンシャルφ32,φ33の井戸が形成されている(図4(e)参照)。これにより、時刻t1と同じく、発生した電荷がポテンシャルφ32,φ33の井戸内に蓄積される。同じく、時刻t5にて、信号P1H1がHレベルであると、時刻t3と同じく、ポテンシャルφ37の井戸が形成されている。ポテンシャルφ35の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ37の井戸内に転送される。ポテンシャルφ37には、電荷量QL2が蓄積されている。この後、電荷量QL2の電荷は、電荷転送期間TP2の間において、上記第1の方向に交差する方向に順次転送されて、アンプ部23に出力されることとなる。図3での図示は省略するが、電荷転送期間TP2では、電荷量QL2を上記第1の方向に交差する方向に転送するための信号が信号P1H1等として与えられる。
At time t5, the signal TG1 with the signal MGH is L level is at L level, like the time t1, with the gradient is eliminated the potential phi 32, potential phi 32, wells phi 33 are formed ( (Refer FIG.4 (e)). As a result, the generated charge is accumulated in the wells of the potentials φ 32 and φ 33 as at time t1. Similarly, at time t5, the signal P1H1 is H level, as with time t3, well of the potential phi 37 are formed. The electric charge accumulated in the well having the potential φ 35 is transferred to the well having the potential φ 37 . A charge amount QL 2 is accumulated in the potential φ 37 . After this, the charge in the charge quantity QL 2, between the charge transfer period TP2, sequentially transferred in a direction intersecting with the first direction, and is output to the
以上のように、本実施形態では、光感応領域15の平面形状が、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。この場合、光感応領域15の長辺方向での長さを大きくすることが可能となり、各光感応領域15での飽和電荷量を大きくして、SN比の向上を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, the planar shape of the
そして、複数の光電変換部3は、上記第1の方向に交差する上記第1の方向に交差する方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。本実施形態では、複数の光電変換部3は、光感応領域15の短辺方向に沿う方向に併置されている。各光電変換部3において、電極51により上記第1の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域15に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方の短辺側に移動する。これにより、電荷の移動速度は、電位勾配(ポテンシャルの傾斜)に支配されることとなり、電荷の読出し速度が高速化する。
The plurality of
他方の短辺側に移動した電荷は、バッファゲート部5に蓄積される。バッファゲート部5に蓄積された電荷は、第1の転送部7に取得されて、第1の方向に転送される。そして各第1の転送部7から転送された電荷は、第1のシフトレジスタ9により、上記第1の方向に交差する方向に転送されて出力される。また、第2の転送部11により、第1のシフトレジスタ9に蓄積されている電荷は、第1の方向に転送される。そして各第2の転送部11から転送された電荷は、第2のシフトレジスタ13により、上記第1の方向に交差する方向に転送されて出力される。複数の光電変換部3から転送された電荷は、第1又は第2のシフトレジスタ9,13により取得されて上記第1の方向に交差する方向に転送される。この結果、固体撮像装置1においては、一次元画像を得るための信号処理をあらためて実行する必要はなく、画像処理の煩雑化を防ぐことができる。
The charge that has moved to the other short side is accumulated in the
本実施形態では、光感応領域15は、平面形状が二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。この結果、光感応領域15における飽和電荷量が大きい。
In the present embodiment, the
本実施形態では、第1の期間(図3における期間T1)にわたって光電変換部3(光感応領域15)にて発生した電荷(電荷量QL1)と、第1の期間T1より短い第2の期間(図3における期間T2)にわたって光電変換部3(光感応領域15)にて発生した電荷(電荷量QL2)と、を連続して交互に出力している。すなわち、本実施形態では、第1の期間T1と第2の期間T2との和を一つの読出し周期として、光電変換部3にて発生した電荷が蓄積されて、出力されることとなる。すなわち、本実施形態では、第1の期間にわたって光電変換部3にて発生した電荷が電荷転送期間TP1において読み出され、第2の期間にわたって光電変換部3にて発生した電荷が電荷転送期間TP2において読み出されることとなる。本実施形態では、第1の期間T1は、例えば9.99ms程度に設定され、第2の期間T2は例えば10μs程度に設定され、第1の期間T1が第2の期間T2の略1000倍とされている。
In the present embodiment, the charge (charge amount QL 1 ) generated in the photoelectric conversion unit 3 (photosensitive region 15) over the first period (period T1 in FIG. 3) and the second period shorter than the first period T1. Electric charges (charge amount QL 2 ) generated in the photoelectric conversion unit 3 (photosensitive region 15) are continuously and alternately output over a period (period T2 in FIG. 3). That is, in the present embodiment, the charge generated in the
第1の期間T1が9.99msに設定され、第2の期間T2が10μsに設定されている場合、第1の期間T1にわたって光電変換部3にて発生した電荷量が飽和しているときには、第2の期間T2にわたって光電変換部3にて発生した電荷量に基づく出力を1000倍して、固体撮像装置1の出力としてもよい。また、第1の期間T1にわたって光電変換部3にて発生した電荷量が飽和していないときには、第1の期間T1にわたって光電変換部3にて発生した電荷量と第2の期間T2にわたって光電変換部3にて発生した電荷量との和に基づく出力を固体撮像装置1の出力としてもよい。
When the first period T1 is set to 9.99 ms and the second period T2 is set to 10 μs, when the amount of charge generated in the
第1の期間T1にわたって光電変換部3にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的長くなることから、強い入射光は、信号が飽和するために適切に検出することが困難となるが、弱い入射光は、十分大きな信号として検出される。一方、第2の期間T2にわたって光電変換部3にて発生した電荷を蓄積すると、露光時間が比較的短くなることから、弱い入射光は、信号が微弱となるため、信号として十分に検出することが困難となるが、強い入射光は、飽和することなく、信号として適切に検出される。このように、固体撮像装置1では、入射光の強さに関わらず、入射光が信号として適切に検出されることとなり、実効的なダイナミックレンジが大きくなる。
If the charge generated in the
本実施形態では、固体撮像装置1は第1又は第2のシフトレジスタ9,13を備えている。これにより、第2の期間T2にわたって光電変換部3にて発生した電荷の転送と第1の期間T1にわたって光電変換部3にて発生した電荷の転送とが、互いに障害になることはない。
In the present embodiment, the solid-
(第2実施形態)
図6は、第2実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図7は、図6におけるVII−VII線に沿った断面構成を説明するための図である。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the solid-state imaging device according to the second embodiment. FIG. 7 is a diagram for explaining a cross-sectional configuration along the line VII-VII in FIG. 6.
第2実施形態に係る固体撮像装置61は、複数の光電変換部3と、複数の第1のバッファゲート部62と、複数の第1の転送部63と、第1の電荷出力部としての第1のシフトレジスタ65と、複数の第2のバッファゲート部66と、複数の第2の転送部67と、第2の電荷出力部としての第2のシフトレジスタ69と、を備えている。固体撮像装置61も、上述した固体撮像装置1と同様に、分光器の光検出手段として用いることができる。
The solid-
各光電変換部3は、光感応領域15と、電位勾配形成領域17と、を有している。電位勾配形成領域17は、光感応領域15に対して、光感応領域15の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう第1の方向及び光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側から一方の短辺側に向かう第2の方向のうちいずれかの方向に沿って高くされた電位勾配を選択的に形成する。上記第1及び第2の方向は、光感応領域15の長辺方向に沿う方向である。電位勾配形成領域17により、光感応領域15に発生した電荷は、光感応領域15の他方の短辺側又は一方の短辺側から排出される。
Each
各第1のバッファゲート部62は、光電変換部3にそれぞれ対応し且つ光感応領域15の平面形状を成す一方の短辺側に配置されている。すなわち、複数の第1のバッファゲート部62は、光感応領域15の平面形状を成す一方の短辺側に、上記第1及び第2の方向に交差する第3の方向(光感応領域15の短辺方向に沿う方向)に併置されている。第1のバッファゲート部62は、光電変換部3(光感応領域15)と第1の転送部63とを仕切る。本実施形態では、第1のバッファゲート部62には、電位勾配形成領域17によって光感応領域15から排出された電荷が蓄積される。隣り合う第1のバッファゲート部62の間には、アイソレーション領域(図示せず)が配置されており、第1のバッファゲート部62の間における電気的な分離を実現している。
Each
各第1の転送部63は、第1のバッファゲート部62にそれぞれ対応し且つ対応する第1のバッファゲート部62と第2の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数の第1の転送部63も、光電変換部3にそれぞれ対応すると共に、光感応領域15の平面形状を成す一方の短辺側に、上記第3の方向に併置されている。第1の転送部63は、電位勾配形成領域17によって光感応領域15から排出された電荷を第1のバッファゲート部62から取得し、取得した電荷を第2の方向に転送する。隣り合う第1の転送部63の間には、アイソレーション領域(図示せず)が配置されており、第1の転送部63の間における電気的な分離を実現している。
Each of the
第1のシフトレジスタ65は、複数の第1の転送部63に対して、各第1の転送部63と第2の方向に隣接して配置されている。すなわち、第1のシフトレジスタ65は、光感応領域15の平面形状を成す一方の短辺側に配置されている。第1のシフトレジスタ65は、第1の転送部63からそれぞれ転送された電荷を受け取り、上記第3の方向に転送して、アンプ部23に順次出力する。第1のシフトレジスタ65から出力された電荷は、アンプ部23によって電圧に変換され、上記第3の方向に併置された光電変換部3(光感応領域15)毎の電圧として固体撮像装置61の外部に出力される。
The
各第2のバッファゲート部66は、光電変換部3にそれぞれ対応し且つ光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。すなわち、複数の第2のバッファゲート部66は、光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第3の方向に併置されている。第2のバッファゲート部66は、光電変換部3(光感応領域15)と第2の転送部67とを仕切る。本実施形態では、第2のバッファゲート部66には、電位勾配形成領域17によって光感応領域15から排出された電荷が蓄積される。隣り合う第2のバッファゲート部66の間には、アイソレーション領域(図示せず)が配置されており、第2のバッファゲート部66の間における電気的な分離を実現している。
Each second
各第2の転送部67は、第2のバッファゲート部66にそれぞれ対応し且つ対応する第2のバッファゲート部66と第1の方向に隣接して配置されている。すなわち、複数の第2の転送部67も、光電変換部3にそれぞれ対応すると共に、光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に、上記第3の方向に併置されている。第2の転送部67は、電位勾配形成領域17によって光感応領域15から排出された電荷を第2のバッファゲート部66から取得し、取得した電荷を第1の方向に転送する。隣り合う第2の転送部67の間には、アイソレーション領域(図示せず)が配置されており、第2の転送部67の間における電気的な分離を実現している。
Each
第2のシフトレジスタ69は、複数の第2の転送部67に対して、各第2の転送部67と第1の方向に隣接して配置されている。すなわち、第2のシフトレジスタ69は、光感応領域15の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。第2のシフトレジスタ69は、第2の転送部67からそれぞれ転送された電荷を受け取り、上記第3の方向に転送して、アンプ部23に順次出力する。第2のシフトレジスタ69から出力された電荷は、アンプ部23によって電圧に変換され、上記第3の方向に併置された光電変換部3(光感応領域15)毎の電圧として固体撮像装置61の外部に出力される。
The
複数の光電変換部3、複数の第1のバッファゲート部62と、複数の第1の転送部63、第1のシフトレジスタ65、複数の第2のバッファゲート部66と、複数の第2の転送部67、及び第2のシフトレジスタ69は、図7に示されるように、半導体基板30上に形成される。半導体基板30は、p型半導体層31と、p型半導体層31の一方面側に形成されたn型半導体層81,82,83,85,86,87,89、n−型半導体層84,88、及びp+型半導体層41と、を含んでいる。
A plurality of
p型半導体層31とn型半導体層81とはpn接合を形成しており、n型半導体層81により、光の入射により電荷を発生する光感応領域15が構成されることとなる。n型半導体層81は、平面視で、二つの長辺と二つの短辺とによって形作られる略矩形状を成している。n型半導体層81は、上記第1の方向(すなわち、n型半導体層81の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう、n型半導体層32の長辺方向に沿う方向)に交差する方向に沿うように併置されて、一次元方向にアレイ状に配置されている。もちろん、n型半導体層81は、上記第2の方向(すなわち、n型半導体層81の平面形状を成す他方の短辺側から一方の短辺側に向かう、n型半導体層32の長辺方向に沿う方向)に交差する方向にも沿うように併置されている。各n型半導体層81は、n型半導体層81の短辺方向に沿う方向、すなわち上記第3の方向に併置されている。上記アイソレーション領域も、p+型半導体層により構成できる。
The p-
各n型半導体層81に対して、一組の電極91〜93が配置されている。一組の電極91〜93は、光を透過する材料、例えば、ポリシリコン膜からなり、絶縁層(図示せず)を介してn型半導体層32上に形成されている。一組の電極91〜93により、電位勾配形成領域17が構成されることとなる。各電極91〜93は、第2の方向に交差する方向に沿うように併置されている複数のn型半導体層81にわたるように、第3の方向に連続して伸びて形成されていてもよい。もちろん、各電極91〜93は、n型半導体層81ごとに形成されていてもよい。
A set of
電極91は、いわゆる抵抗性ゲートを構成しており、n型半導体層81の平面形状を成す一方の短辺側から他方の短辺側に向かう方向(上記第1の方向)及び他方の短辺側から一方の短辺側に向かう方向(上記第2の方向)に伸びて形成されている。電極91は、両端に定電位差を与えることにより、当該電極91の第1又は第2の方向での電気抵抗成分に応じた電位勾配、すなわち上記第1又は第2の方向に沿って高くされた電位勾配を形成する。電極92は、電極91と第2の方向に隣接して配置されている。電極93は、電極91と第1の方向に隣接して配置されている。電極91の一端(一方の短辺側の端)及び電極92には制御回路(図示せず)から信号MG1が与えられ、電極91の他端(他方の短辺側の端)及び電極93には制御回路(図示せず)から信号MG2が与えられる。信号MG1がHレベルであると共に信号MG2がLレベルであると、n型半導体層81において上記第1の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されるようになっている。信号MG1がLレベルであると共に信号MG2がHレベルであると、n型半導体層81において上記第2の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されるようになっている。
The
電極92と第2の方向に隣接して、電極94が配置されている。電極94は、絶縁層(図示せず)を介して、n型半導体層82に形成されている。n型半導体層82は、n型半導体層81の平面形状を成す一方の短辺側に配置されている。電極94は、例えば、ポリシリコン膜からなる。電極94には、制御回路(図示せず)から信号BG2が与えられる。電極94及び電極94下のn型半導体層82によって、第1のバッファゲート部62が構成されることとなる。
An
電極94と第2の方向に隣接して、転送電極95が配置されている。転送電極95は、絶縁層(図示せず)を介して、n型半導体層83上に形成されている。n型半導体層83は、n型半導体層82と第2の方向に隣接して配置されている。転送電極95は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極95には、制御回路(図示せず)から信号TG2が与えられる。転送電極95及び転送電極95下のn型半導体層83によって、第1の転送部63が構成されることとなる。
A
転送電極95と第2の方向に隣接して、一対の転送電極96,97が配置されている。転送電極96,97は、絶縁層(図示せず)を介して、n−型半導体層84及びn型半導体層85上にそれぞれ形成されている。n−型半導体層84及びn型半導体層85はn型半導体層83と第2の方向に隣接して配置されている。転送電極96,97は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極96,97には、制御回路(図示せず)から信号P1H2等が与えられる。転送電極96,97及び転送電極96,97下のn−型半導体層84及びn型半導体層85によって、第1のシフトレジスタ65が構成されることとなる。
A pair of
電極93と第1の方向に隣接して、電極98が配置されている。電極98は、絶縁層(図示せず)を介して、n型半導体層86に形成されている。n型半導体層86は、n型半導体層81の平面形状を成す他方の短辺側に配置されている。電極98は、例えば、ポリシリコン膜からなる。電極98には、制御回路(図示せず)から信号BG1が与えられる。電極98及び電極98下のn型半導体層86によって、第2のバッファゲート部66が構成されることとなる。
An
電極98と第1の方向に隣接して、転送電極99が配置されている。転送電極99は、絶縁層(図示せず)を介して、n型半導体層87上に形成されている。n型半導体層87は、n型半導体層86と第1の方向に隣接して配置されている。転送電極99は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極99には、制御回路(図示せず)から信号TG1が与えられる。転送電極99及び転送電極99下のn型半導体層87によって、第2の転送部67が構成されることとなる。
A transfer electrode 99 is disposed adjacent to the
転送電極99と第1の方向に隣接して、一対の転送電極100,101が配置されている。転送電極100,101は、絶縁層(図示せず)を介して、n−型半導体層88及びn型半導体層89上にそれぞれ形成されている。n−型半導体層88及びn型半導体層89は、n型半導体層87と第1の方向に隣接して配置されている。転送電極100,101は、例えば、ポリシリコン膜からなる。転送電極100,101には、制御回路(図示せず)から信号P1H1等が与えられる。転送電極100,101及び転送電極100,101下のn−型半導体層88及びn型半導体層89によって、第2のシフトレジスタ69が構成されることとなる。
A pair of
p+型半導体層41は、n型半導体層81,82,83,85,86,87,89及びn−型半導体層84,88を、半導体基板30の他の部分から電気的に分離している。上述した各絶縁層は、光を透過する材料、例えば、シリコン酸化膜からなる。n型半導体層81を除く、n型半導体層81,82,83,85,86,87,89、n−型半導体層84,88(第1のバッファゲート部62、第1の転送部63、第1のシフトレジスタ65、第2のバッファゲート部66、第2の転送部67、及び第2のシフトレジスタ69)は、不要な電荷が生じるのを防ぐために、遮光部材を配置するなどして、遮光されていることが好ましい。
The p +
続いて、図8及び図9に基づいて、固体撮像装置61における動作を説明する。図8は、本実施形態に係る固体撮像装置61において、電極91〜101に入力される各信号MG1,MG2,BG1,BG2,TG1,TG2,P1H1,P1H2のタイミングチャートである。図9(a)〜(f)は、図8における各時刻t1〜t6での電荷の蓄積及び排出動作を説明するためのポテンシャル図である。
Subsequently, the operation of the solid-
図8に示されるように、時刻t1にて、信号MG1,BG1がHレベルであり、信号MG2,BG2,TG1,TG2,P1H1,P1H2がLレベルであると、n型半導体層81において上記第1の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されており、ポテンシャルφ81はn型半導体層86側に向けて深くなるように傾斜し、ポテンシャルφ81の勾配が形成されている(図9(a)参照)。このとき、n型半導体層86のポテンシャルφ86はn型半導体層87のポテンシャルφ87より深いことから、ポテンシャルφ86の井戸が形成されている。この状態で、n型半導体層81に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷は、図5にも示されるようにポテンシャルφ81の勾配に沿って第1の方向に移動し、ポテンシャルφ81,φ86の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ81,φ86には、電荷量QL1が蓄積されている。
As shown in FIG. 8, when the signals MG1, BG1 are at the H level and the signals MG2, BG2, TG1, TG2, P1H1, P1H2 are at the L level at time t1, A potential gradient that is increased along the
時刻t2にて、信号TG1がHレベルであると、n型半導体層87のポテンシャルφ87が深くなり、ポテンシャルφ86,φ87の井戸が形成されている(図9(b)参照)。ポテンシャルφ86,φ87には、電荷量QL1が蓄積されている。
At time t2, the signal TG1 is H level, the potential phi 87 of n-
時刻t3にて、信号MG1,BG1がLレベルであり、信号MG2,BG2がHレベルであると、n型半導体層81において上記第2の方向に沿って高くされる電位勾配が形成されており、ポテンシャルφ81はn型半導体層82側に向けて深くなるように傾斜し、ポテンシャルφ81の勾配が形成されている(図9(c)参照)。このとき、n型半導体層82のポテンシャルφ82はn型半導体層83のポテンシャルφ83より深いことから、ポテンシャルφ82の井戸が形成されている。この状態で、n型半導体層81に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷は、ポテンシャルφ81の勾配に沿って第2の方向に移動し、ポテンシャルφ82の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ82には、電荷量QL2が蓄積されている。また、ポテンシャルφ86が浅くなることから、ポテンシャルφ87の井戸に電荷量QL1の電荷が蓄積されている。
At time t3, when the signals MG1 and BG1 are at the L level and the signals MG2 and BG2 are at the H level, a potential gradient that is increased along the second direction is formed in the n-
時刻t4にて、信号TG1がLレベルであると共に、信号P1H1がHレベルであると、ポテンシャルφ87が浅くなると共に、n−型半導体層88及びn型半導体層89の各ポテンシャルφ88,φ89は深くなり、ポテンシャルφ89の井戸が形成されている(図9(d)参照)。ポテンシャルφ87の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ89の井戸内に転送される。ポテンシャルφ89には、電荷量QL1が蓄積されている。この後、電荷量QL1の電荷は、電荷転送期間TP1の間において、上記第3の方向に順次転送されて、アンプ部23に出力されることとなる。電荷転送期間TP1では、電荷量QL1を第3の方向に転送するための信号が信号P1H1等として与えられる。
At time t4, with the signal TG1 is L level, the signal P1H1 is H level, the potential phi 87 becomes shallow, n - the potential phi 88
また、時刻t4にて、信号TG2がHレベルであると、n型半導体層83のポテンシャルφ83が深くなり、ポテンシャルφ82,φ83の井戸が形成されている(図9(d)参照)。ポテンシャルφ82,φ83には、電荷量QL2が蓄積されている。
Further, at time t4, the signal TG2 is H level, the potential phi 83 of n-
時刻t5にて、信号BG2がLレベルであると、ポテンシャルφ82が浅くなることから、ポテンシャルφ83の井戸に電荷量QL2の電荷が蓄積されている(図9(e)参照)。 At time t5, the signal BG2 is L level, since the potential phi 82 becomes shallower, the charge in the charge quantity QL 2 in the well of the potential phi 83 are stored (see FIG. 9 (e)).
また、時刻t5にて、信号MG1,BG1がHレベルであると、時刻t1と同じく、ポテンシャルφ81の勾配(n型半導体層86側に向けて深くなるように傾斜した勾配)が形成されると共に、ポテンシャルφ86の井戸が形成されている。したがって、n型半導体層81に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷はポテンシャルφ81の勾配に沿って第1の方向に移動し、ポテンシャルφ86の井戸内に蓄積される。ポテンシャルφ86には、電荷量QL1が蓄積されている。
Further, at time t5, the signal MG1, BG1 are H level, as with the time t1, (inclined slope to be deeper toward the n-
時刻t6にて、信号P1H2がHレベルであると、n−型半導体層84及びn型半導体層85の各ポテンシャルφ84,φ85は深くなり、ポテンシャルφ85の井戸が形成されている(図9(f)参照)。ポテンシャルφ83の井戸内に蓄積されていた電荷はポテンシャルφ85の井戸内に転送される。ポテンシャルφ85には、電荷量QL2が蓄積されている。この後、電荷量QL2の電荷は、電荷転送期間TP2の間において、上記第3の方向に順次転送されて、アンプ部23に出力されることとなる。電荷転送期間TP2では、電荷量QL2を第3の方向に転送するための信号が信号P1H2等として与えられる。
At time t6, when the signal P1H2 is at the H level, the potentials φ 84 and φ 85 of the n −
また、時刻t6にて、信号P1H1がLレベルであると、各ポテンシャルφ88,φ89は浅くなる。このとき、ポテンシャルφ81の勾配が形成された状態が維持されているので、n型半導体層81に光が入射して電荷が発生していると、発生した電荷はポテンシャルφ81の勾配に沿って第1の方向に移動し、ポテンシャルφ86の井戸内に蓄積される。
Further, when the signal P1H1 is at the L level at time t6, the potentials φ 88 and φ 89 become shallow. At this time, since the state in which the gradient of the potential φ 81 is formed is maintained, when light is incident on the n-
以上のように、本実施形態では、各光電変換部3において、電極91により第1の方向又は第2の方向に沿って高くされた電位勾配が形成されるので、光感応領域15に発生した電荷は、形成された電位勾配によるポテンシャルの傾斜に沿って他方又は一方の短辺側に移動する。これにより、電荷の移動速度は、電位勾配(ポテンシャルの傾斜)に支配されることとなり、電荷の読出し速度が高速化する。
As described above, in the present embodiment, in each
他方の短辺側に移動した電荷は、第2のバッファゲート部66に蓄積される。第2のバッファゲート部66に蓄積された電荷は、第2の転送部67に取得されて、第1の方向に転送される。そして各第2の転送部67から転送された電荷は、第2のシフトレジスタ69により、上記第3の方向に転送されて出力される。また、一方の短辺側に移動した電荷は、第1のバッファゲート部62に蓄積される。第1のバッファゲート部62に蓄積された電荷は、第1の転送部63に取得されて、第1の方向に転送される。そして各第1の転送部63から転送された電荷は、第1のシフトレジスタ65により、上記第3の方向に転送されて出力される。このように、複数の光電変換部3から転送された電荷は、第1又は第2のシフトレジスタ65,69により取得されて第3の方向に転送される。この結果、固体撮像装置61においては、一次元画像を得るための信号処理をあらためて実行する必要はなく、画像処理の煩雑化を防ぐことができる。
The charge that has moved to the other short side is stored in the
本実施形態においても、第1の期間(図8における期間T1)にわたって光電変換部3(光感応領域15)にて発生した電荷(電荷量QL1)と、第2の期間(図3における期間T2)にわたって光電変換部3(光感応領域15)にて発生した電荷(電荷量QL2)と、を連続して交互に出力している。この結果、第1実施形態と同じく、固体撮像装置61では、入射光の強さに関わらず、入射光が信号として適切に検出されることとなり、実効的なダイナミックレンジが大きくなる。
Also in the present embodiment, the charge (charge amount QL 1 ) generated in the photoelectric conversion unit 3 (photosensitive region 15) over the first period (period T1 in FIG. 8) and the second period (period in FIG. 3). The charges (charge amount QL 2 ) generated in the photoelectric conversion unit 3 (photosensitive region 15) are continuously and alternately output over T2). As a result, as in the first embodiment, in the solid-
そして、固体撮像装置61は第1又は第2のシフトレジスタ65,69を備えているので、第2の期間T2にわたって光電変換部3にて発生した電荷の転送と第1の期間T1にわたって光電変換部3にて発生した電荷の転送とが、互いに障害になることはない。
Since the solid-
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not necessarily limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1…固体撮像装置、3…光電変換部、5…バッファゲート部、7…第1の転送部、9…第1のシフトレジスタ、11…第2の転送部、13…第2のシフトレジスタ、15…光感応領域、17…電位勾配形成領域、23…アンプ部、61…固体撮像装置、62…第1のバッファゲート部、63…第1の転送部、65…第2のシフトレジスタ、66…第2のバッファゲート部、67…第2の転送部、69…第2のシフトレジスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置されると共に、前記複数の光電変換部からそれぞれ転送された電荷を取得し、前記第1の方向に交差する前記方向に転送して出力する第1及び第2の電荷出力部と、
前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記光電変換部と前記第1の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を前記第1の電荷出力部へ転送する複数の第1の転送部と、
前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記第1の電荷出力部と前記第2の電荷出力部との間に配置され、前記第1の電荷出力部に転送された電荷を前記第2の電荷出力部へ転送する複数の第2の転送部と、
前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記光電変換部と各前記第1の転送部との間に配置され、対応する前記光電変換部と前記第1の転送部とを仕切ると共に、対応する前記光電変換部からの電荷を蓄積する複数のバッファゲート部と、
前記第1及び第2の電荷出力部から出力された電荷を電圧に変換し、前記第1の方向に交差する前記方向に並置された前記光電変換部毎の電圧として出力するアンプ部と、を備え、
第1の期間と前記第1の期間より短い第2の期間との和を一つの読出し周期として、
前記第1の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷は、対応する前記バッファゲート部にも蓄積された後、対応する前記第1の転送部及び前記第1の電荷出力部を介して、対応する第2の転送部に送られ、
前記第2の電荷出力部は、前記第1の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷を前記複数の第2の転送部から取得して、前記第1の方向に交差する前記方向に転送して出力し、
前記第2の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷は、対応する前記バッファゲート部に蓄積された後、対応する前記第1の転送部に送られ、
前記第1の電荷出力部は、前記第2の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷を前記複数の第1の転送部から取得して、前記第1の方向に交差する前記方向に転送して出力し、
前記アンプ部から、前記第1の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷と、前記第2の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷と、を連続して交互に出力することを特徴とする固体撮像装置。 A light-sensitive region that generates a charge in response to light incidence and has a planar shape formed by two long sides and two short sides, and a planar shape of the light-sensitive region with respect to the light-sensitive region A potential gradient forming region that forms a potential gradient increased along a first direction from one short side to the other short side that is parallel to the long side that forms the planar shape of the photosensitive region; And a plurality of photoelectric conversion units juxtaposed along the direction intersecting the first direction,
It is arranged on the other short side that forms the planar shape of the photosensitive region, acquires the charges transferred from the plurality of photoelectric conversion units, and transfers them in the direction intersecting the first direction. First and second charge output units for outputting;
Corresponding to each of the photoelectric conversion units and disposed between each of the photoelectric conversion units and the first charge output unit, the charge from the photosensitive region of the corresponding photoelectric conversion unit is transferred to the first charge output unit. A plurality of first transfer units to transfer;
Corresponding to each of the photoelectric conversion units and disposed between each of the first charge output unit and the second charge output unit, the charge transferred to the first charge output unit is converted into the second charge. A plurality of second transfer units that transfer to the output unit;
The photoelectric conversion units respectively correspond to the photoelectric conversion units and are arranged between the photoelectric conversion units and the first transfer units, partition the corresponding photoelectric conversion units and the first transfer units, and correspond to the photoelectric conversion units. A plurality of buffer gate units for accumulating charges from the photoelectric conversion unit;
An amplifier that converts the charges output from the first and second charge output units into a voltage and outputs the voltage as a voltage for each of the photoelectric conversion units juxtaposed in the direction intersecting the first direction; Prepared ,
The sum of the first period and the second period shorter than the first period is taken as one readout cycle,
The charge generated in the photoelectric conversion unit over the first period is also accumulated in the corresponding buffer gate unit, and then via the corresponding first transfer unit and the first charge output unit, Sent to the corresponding second transfer part,
The second charge output unit acquires the charge generated in the photoelectric conversion unit over the first period from the plurality of second transfer units, and transfers the charge in the direction intersecting the first direction. Output
The charge generated in the photoelectric conversion unit over the second period is accumulated in the corresponding buffer gate unit, and then sent to the corresponding first transfer unit,
The first charge output unit acquires the charge generated in the photoelectric conversion unit over the second period from the plurality of first transfer units, and transfers the charge in the direction intersecting the first direction. Output
The amplifier unit alternately and continuously outputs the charge generated in the photoelectric conversion unit over the first period and the charge generated in the photoelectric conversion unit over the second period. A solid-state imaging device.
前記光感応領域の平面形状を成す一方の短辺側に配置されると共に、前記複数の光電変換部からそれぞれ転送された電荷を取得し、前記第1及び第2の方向に交差する前記方向に転送して出力する第1の電荷出力部と、
前記光感応領域の平面形状を成す他方の短辺側に配置されると共に、前記複数の光電変換部からそれぞれ転送された電荷を取得し、前記第1及び第2の方向に交差する前記方向に転送して出力する第2の電荷出力部と、
前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記光電変換部と前記第1の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を前記第1の電荷出力部へ転送する複数の第1の転送部と、
前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記光電変換部と前記第2の電荷出力部との間に配置され、対応する光電変換部の光感応領域からの電荷を前記第2の電荷出力部へ転送する複数の第2の転送部と、
前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記光電変換部と各前記第1の転送部との間に配置され、対応する前記光電変換部と前記第1の転送部とを仕切ると共に、対応する前記光電変換部からの電荷を蓄積する複数の第1のバッファゲート部と、
前記光電変換部にそれぞれ対応し且つ各前記光電変換部と各前記第2の転送部との間に配置され、対応する前記光電変換部と前記第2の転送部とを仕切ると共に、対応する前記光電変換部からの電荷を蓄積する複数の第2のバッファゲート部と、
前記第1及び第2の電荷出力部から出力された電荷を電圧に変換し、前記第1及び第2の方向に交差する前記方向に並置された前記光電変換部毎の電圧として出力するアンプ部と、を備え、
第1の期間と前記第1の期間より短い第2の期間との和を一つの読出し周期として、
前記第1の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷は、対応する前記第2のバッファゲート部にも蓄積された後、対応する前記第2の転送部に送られ、
前記第2の電荷出力部は、前記第1の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷を前記複数の第2の転送部から取得して、前記第1及び第2の方向に交差する前記方向に転送して出力し、
前記第2の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷は、対応する前記第1のバッファゲート部に蓄積された後、対応する前記第1の転送部に送られ、
前記第1の電荷出力部は、前記第2の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷を前記複数の第1の転送部から取得して、前記第1及び第2の方向に交差する前記方向に転送して出力し、
前記アンプ部から、前記第1の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷と、前記第2の期間にわたって前記光電変換部にて発生した電荷と、を連続して交互に出力することを特徴とする固体撮像装置。 A light-sensitive region that generates a charge in response to light incidence and has a planar shape formed by two long sides and two short sides, and a planar shape of the light-sensitive region with respect to the light-sensitive region The first direction from one short side forming the planar shape of the photosensitive region to the other short side and the other short side forming the planar shape of the photosensitive region Each having a potential gradient forming region that selectively forms a potential gradient that has been increased along any one of the second directions toward one short side, and in the first and second directions, respectively. A plurality of photoelectric conversion units juxtaposed along the intersecting direction;
It is arranged on one short side forming the planar shape of the photosensitive region, acquires charges transferred from the plurality of photoelectric conversion units, and crosses the first and second directions in the direction. A first charge output section for transferring and outputting;
It is arranged on the other short side that forms the planar shape of the photosensitive region, acquires the charges transferred from the plurality of photoelectric conversion units, and in the direction intersecting the first and second directions. A second charge output section for transferring and outputting;
Corresponding to each of the photoelectric conversion units and disposed between each of the photoelectric conversion units and the first charge output unit, the charge from the photosensitive region of the corresponding photoelectric conversion unit is transferred to the first charge output unit. A plurality of first transfer units to transfer;
Corresponding to each of the photoelectric conversion units and disposed between each of the photoelectric conversion units and the second charge output unit, the charge from the photosensitive region of the corresponding photoelectric conversion unit is transferred to the second charge output unit. A plurality of second transfer units to transfer;
The photoelectric conversion units respectively correspond to the photoelectric conversion units and are arranged between the photoelectric conversion units and the first transfer units, partition the corresponding photoelectric conversion units and the first transfer units, and correspond to the photoelectric conversion units. A plurality of first buffer gate units for accumulating charges from the photoelectric conversion unit;
It corresponds to each of the photoelectric conversion units and is arranged between each of the photoelectric conversion units and each of the second transfer units, partitions the corresponding photoelectric conversion unit and the second transfer unit, and A plurality of second buffer gate units for accumulating charges from the photoelectric conversion unit;
An amplifier unit that converts the charges output from the first and second charge output units into a voltage and outputs the voltage as a voltage for each of the photoelectric conversion units juxtaposed in the direction intersecting the first and second directions. And comprising
The sum of the first period and the second period shorter than the first period is taken as one readout cycle,
The charge generated in the photoelectric conversion unit over the first period is accumulated in the corresponding second buffer gate unit, and then sent to the corresponding second transfer unit,
The second charge output unit acquires the charge generated in the photoelectric conversion unit over the first period from the plurality of second transfer units, and intersects the first and second directions. Forward and output,
The charge generated in the photoelectric conversion unit over the second period is accumulated in the corresponding first buffer gate unit and then sent to the corresponding first transfer unit,
The first charge output unit acquires the charge generated in the photoelectric conversion unit over the second period from the plurality of first transfer units, and intersects the first and second directions. Forward and output,
The amplifier unit alternately and continuously outputs the charge generated in the photoelectric conversion unit over the first period and the charge generated in the photoelectric conversion unit over the second period. A solid-state imaging device.
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